WO2020120158A1 - Dispositif de perçage automatique à moyens de génération d'avance vibratoire débrayable automatiquement - Google Patents

Dispositif de perçage automatique à moyens de génération d'avance vibratoire débrayable automatiquement Download PDF

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WO2020120158A1
WO2020120158A1 PCT/EP2019/082962 EP2019082962W WO2020120158A1 WO 2020120158 A1 WO2020120158 A1 WO 2020120158A1 EP 2019082962 W EP2019082962 W EP 2019082962W WO 2020120158 A1 WO2020120158 A1 WO 2020120158A1
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WO
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spindle
advance
drilling
translation
vibratory
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2019/082962
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English (en)
Inventor
Sébastien Pereira
Jérôme Petitgas
Pierre-Alexis ATZORI
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Seti Tec SAS
Original Assignee
Seti Tec SAS
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B47/00—Constructional features of components specially designed for boring or drilling machines; Accessories therefor
    • B23B47/34—Arrangements for removing chips out of the holes made; Chip- breaking arrangements attached to the tool
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2260/00—Details of constructional elements
    • B23B2260/048—Devices to regulate the depth of cut
    • B23B2260/0482—Depth controls, e.g. depth stops
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B51/00—Tools for drilling machines
    • B23B51/10—Bits for countersinking
    • B23B51/108—Bits for countersinking having a centering drill

Definitions

  • the field of the invention is that of the design and manufacture of drilling tools or devices more commonly called drills.
  • the invention relates to a drilling device with automatic advance speed.
  • a drill with automatic feed speed conventionally comprises a pneumatic or electric motor and an output spindle, intended to drive a tool such as a drill or a milling cutter, which spindle being simultaneously driven in rotation and in translation along the same axis for perform axial machining as a drilling operation.
  • the automatic feed drills include a single motor that allows both the spindle to rotate and translate along the same axis.
  • Figure 1 illustrates a partial sectional view of an automatic advance drill according to the prior art.
  • such a drill comprises a spindle 10 mounted to move in translation and in rotation along the same axis (in this case the longitudinal axis of the spindle) inside a casing 11.
  • the drill includes a motor (not shown) whose rotor is connected to a first bevel gear 12 meshing with a second bevel gear 13.
  • the axis of the spindle is orthogonal to the axis of the motor.
  • the spindle axis can be parallel to the motor axis in which case the bevel gears are not used but can be replaced by straight gears.
  • the pinion 13 is linked in rotation to an intermediate rotation pinion 14.
  • the latter meshes with a rotation pinion 15.
  • the rotation pinion 15 is linked in rotation with a rotation drive ring 16.
  • This drive ring in rotation 16 comprises a grooved inner bore of complementary shape of a grooved portion of the spindle 10.
  • the spindle 10 is thus linked in rotation with a rotation drive ring 16 while being movable in translation relative to the latter along of its longitudinal axis.
  • the drill comprises an intermediate translation pinion 17 meshing with a translation pinion 18.
  • the translation pinion 18 is linked in rotation with a translation drive nut 19.
  • the translation drive nut 19 includes an internal threaded bore of complementary shape of a threaded portion of the spindle 10.
  • the translational drive nut is thus linked to the spindle by a helical connection whose axis is the longitudinal axis of the spindle.
  • the intermediate translation pinion 17 is mounted movable in translation on a shaft 20 against the effect of a compression spring 21.
  • the intermediate translation pinion 17 is reversibly linked in rotation with the intermediate rotation pinion 14 by means of pins 22.
  • These pins 22 are housed in housings 22 ′ of complementary shape 23 formed in the intermediate rotation pinion 14. The pins 22 then play the role of a torque limiter, as will become clear later .
  • the intermediate translational pinion 17 is integral in translation with the rod 23 of a jack 24 comprising a piston 25 mounted movably inside a cylinder 26.
  • the rod 23 is mounted movable in translation on the shaft 20.
  • the start button of the drill is actuated so that the motor is started in order to rotate the bevel torque 12, 23. Therefore, the intermediate rotation pinion 14 and the pinion translation intermediary 17, which are linked in rotation by the pins 22, are rotated at the same frequency. Thus are also rotated the rotation pinion 15 and the translation pinion 18 as well as the rotational drive ring 16 and the translational drive nut 16 which are respectively linked thereto.
  • the frequencies of rotation of the translational drive nut 19 and of the rotational drive ring 16 are different. Consequently, the rotation of the motor induces a combined displacement in rotation and in translation of the spindle along the same axis, the translation taking place towards the part to be drilled according to the arrow P.
  • the two ratios previously mentioned as well as the thread pitch of the spindle are chosen to obtain an advance value per revolution conforming to the need.
  • the spindle 10 carries a stop 47 defining the drilling depth.
  • the advance movement of the spindle 10 therefore continues until the stop 47 comes to bear against a fixed element in translation, in the casing provided for this purpose.
  • the rotation pinion is the fixed element.
  • the stop 47 comes into abutment against this fixed element, the translation of the spindle relative to the rotation spindle stops so that the progression of the drilling ends.
  • the retraction of the spindle that is to say its reversing, is then implemented automatically as will now be described.
  • This linear movement of the intermediate translation pinion 17 induces the actuation of a control of the jack 24 (not shown), the implementation of which makes it possible to move the intermediate translation pinion 17 further away from the intermediate rotation pinion 14.
  • the intermediate translation pinion 17 carries half dogs 170, which at the end of the stroke of the piston 26 of the jack, cooperate with half dogs 27 of complementary shape formed in the casing. The intermediate translation pinion 17 is thus immobilized in rotation.
  • the immobilization in rotation of the intermediate translation pinion 17 is accompanied by a locking in rotation of the translation drive nut 19.
  • the difference in frequency of rotation between the translation drive nut and the drive ring in rotation is such that a displacement in translation of the spindle in the direction R of a retraction of the drill, opposite to the direction of drilling P, is obtained.
  • a chip made up of the material removed from the workpiece is formed.
  • This chip tends to accumulate in the hole being drilled and around the drill bit by a phenomenon called stuffing. This phenomenon is likely to induce a risk of breakage of the cutting tool and deterioration of the surface finish of the hole.
  • the tool has flutes and lubrication also makes it possible to slide the shavings.
  • These drills include means capable of applying an advance on the spindle with a vibratory advance component to cause the cutting edges of the drill bit to come out of the material being machined and thus to achieve chip splitting.
  • the amplitude of this vibratory component can for example vary from 0.1 mm to 0.35mm.
  • the vibratory component is designed so that the trajectory of the cutting edges of the drill is not synchronous from one revolution of the spindle to the next, this to allow the splitting of the chip.
  • Chip splitting makes it easier to extract from the hole and improves drilling quality and productivity.
  • a module called vibrating is integrated in the part chain taking up the thrust forces on the drill.
  • This vibrator includes:
  • a first ring 28i having, on one of its faces, a given number of surface undulations distributed at a regular angle, this surface being called the vibratory advance surface in the following text.
  • the amplitude of these corrugations is measured along the axis of the translational movement of the spindle between the hollow and the top of a corrugation.
  • the other side of this ring is smooth, a second ring 282 having two smooth faces.
  • the vibrator is assembled in the casing, along the spindle, with the rotational drive ring 16, an intermediate ball stop, the translational drive nut 19, these different parts forming a stack preloaded by a spring 28 4 .
  • the corrugated ring 28i is integral in rotation with the rotational drive ring 16. For this, it is for example mounted tight and / or bonded to the shoulder of the rotational drive ring 16.
  • the smooth ring 282 is tightly mounted in the housing 11. Thus, in drilling action, the corrugated ring 28i rotates relative to the smooth ring 282 along the axis of the spindle.
  • rollers 283 being in contact on the one hand with the corrugations of the corrugated ring 28i and on the other hand with the smooth ring 282, they therefore roll on the corrugations thus causing a variable spacing of the two rings 28i, 282.
  • the spacing movement of the rings 28i and 28 2 therefore induces a translational movement of the other parts of the stack including the translational drive nut 19.
  • the spacing of said rings increases the spring is crushed, when the spacing of said rings decreases the spring relaxes.
  • the translational drive nut follows the same movement in translation as the corrugated ring 28i so that a vibratory component, ie an oscillating feed, is added. the translational advance generated on the spindle.
  • Such a vibratory advance technique is for example described in document WO2011 / 061678.
  • This type of automatic advance drill with automatic retraction and / or vibratory advance are commonly used in various industrial sectors such as, for example, that of aeronautics, in particular for drilling optimisationd structures.
  • These drills can for example be fixed on drilling grids identifying the location in space of different holes to be made, and moved by an operator from one location to another to successively make different holes.
  • Such a drill 30 comprises, downstream of the portion 31 of the drill allowing the production a hole, conical cutting edges 32 which come into contact with the material at the end of drilling. The depth of this countersink is determined by the position the drill occupies when the drill advance is stopped.
  • Such a countersink can be intended to be the housing of a rivet or screw head in the context of the assembly of panels of air-tight structures, inducing that the seal between the rivet or screw head and the panel must be perfect. . Therefore, the geometry of such a countersink must conform to tight geometric tolerances. For example, a milling depth can be requested with a shape tolerance of 50 ⁇ m.
  • the machining of the countersink is finalized in the instant which begins at the arrival of the stop in contact with the rotation pinion and which ends when the spindle starts in reverse.
  • the vibrator remains active and imposes on the spindle a vibratory advance movement (only in the direction of retraction because the spindle is blocked in advance in the direction of drilling by the stop).
  • This vibratory advance movement generates ripples on the surface of the countersink.
  • the surface finish of the countersink and its depth may not meet the manufacturer's requirements.
  • the object of the invention is in particular to provide an effective solution to at least some of these different problems.
  • an objective of the invention is to provide a drill with automatic vibratory advance enabling a hole to be made milled suitable.
  • the invention aims, according to at least one embodiment, to provide such a drill which makes it possible to make a hole with a countersink whose surface condition is of good quality, i.e. does not have undulations.
  • Another objective of the invention is, according to at least one embodiment, to provide such a drill which makes it possible to make a hole with a countersink whose depth is properly controlled.
  • Another objective of the invention is, in at least one embodiment, to optimize the evacuation of the chip including during the formation of a countersink.
  • Another objective of the invention is to provide such a technique which is, according to at least one embodiment, reliable and / or robust and / or simple in design and / or economical.
  • the invention proposes a drilling device comprising a casing and a spindle capable of carrying a cutting tool, said spindle being mounted movable in rotation and in translation along a same axis inside said casing,
  • said device comprising motor means connected to said spindle by means of a transmission capable of generating a combined movement of rotation and translation of said spindle along said axis,
  • said device comprising a stop carried by said spindle defining a predetermined maximum travel of translation of said spindle in the direction of drilling, said maximum travel being reached when said stop is in a position for end of drilling,
  • said device comprising means for generating a vibratory axial advance inducing a periodic oscillation of said translation of said spindle in two opposite directions so as to generate a vibratory advance movement of said spindle along said axis.
  • said device comprises means for automatically disengaging said means for generating a vibratory axial advance, after said stop is in said drilling end position, said automatic disengaging allowing rotation of said spindle along said axis over at least a predetermined angle without any advance.
  • the invention provides an automatic advance drill with vibrating disengageable automatically which makes it possible to drill a given depth with a vibratory advance then to disengage automatically the vibratory advance to end the machining of a milling without advance.
  • Such a drill thus makes it possible, during a drilling operation, to carry out:
  • Drilling with vibratory advance allows in particular to guarantee a good evacuation of the chips both during the drilling and during the milling and thus limit the risk breakage of the drill while making holes having a suitable surface condition.
  • the end of the milling is done without any advance to remove any ripple on the surface of the milling.
  • a milling is thus obtained without surface undulation and having a controlled depth.
  • the technique according to the invention thus makes it possible to generate holes having a good quality milling while optimizing the evacuation of the chips.
  • said predetermined angle of rotation of said spindle without any advance is equal to at least one revolution of the spindle.
  • the spindle drive on a lathe without advance is in principle sufficient to suppress the ripples on the surface of the milling while maintaining good productivity
  • said transmission comprises a translational drive nut linked to said spindle by means of a helical connection along said axis, said means for generating a vibratory axial advance comprising a vibratory advance surface having undulations having an amplitude along said axis, elastic return means tending to push said drive nut in translation towards said means for generating a vibratory advance in order to cause said drive nut to follow a translational path induced by said surface vibratory advance.
  • said translational drive nut is mounted movable in translation inside said casing against the effect of said elastic return means, said return means opposing the axial thrust force induced by said tool cutting on said spindle during a drilling operation.
  • the translational displacement stroke of said translational drive nut inside said casing is at least equal to the sum of said amplitude of said vibratory advance surface along said axis and advance corresponding to the rotation of said spindle without any advance on said predetermined angle.
  • continued rotation of said spindle after said stop is in said end of drilling position is accompanied by a displacement in translation of said drive nut in the opposite direction to the drilling direction, against the effect of said elastic return means, tending to move said translational drive nut away from said means for generating a vibratory advance.
  • a device comprises a fixed element in translation relative to said casing along said axis against which said abutment carried by said spindle is intended to come to bear when it is moved in translation along said axis in the meaning of a piercing.
  • said return means are mounted with a pre-compression force greater than the maximum value of an axial thrust force printed on said spindle during drilling. This avoids inadvertent disengagement of the vibratory advance under the sole effect of the thrust received by the spindle during drilling.
  • said transmission comprises a rotation drive ring to which said spindle is linked in rotation but free in translation along said axis.
  • a device comprises means for automatic retraction of said spindle in the opposite direction to a drilling at the end of drilling.
  • said automatic retraction means are configured and the maximum stiffness of said return means is chosen so that said return means are compressed, before tripping of said automatic retraction means, by one stroke at least equal to the sum of said amplitude of said vibratory advance surface along said axis and the advance corresponding to the rotation of said spindle without any advance over said predetermined angle.
  • a drilling device belongs to the group comprising:
  • the invention also relates to a method of producing a drilling by means of a device according to any one of the above variants.
  • such a drilling method comprises the production of a milling, said milling being finalized without any advance after the automatic disengagement of said means for generating an axial vibratory advance.
  • Figure 1 illustrates a partial view in longitudinal section of a feed drill automatic vibratory and automatic retraction according to the prior art in a state in which the stop for blocking the translation of the spindle in the drilling direction has not reached the stop;
  • Figure 2 illustrates a partial view in longitudinal section of a drill with automatic vibratory advance and automatic retraction according to the prior art in a state in which the stop for blocking the translation of the spindle in the drilling direction is arriving at the stop;
  • Figure 3 illustrates a side view of a drill allowing the production of a countersunk hole
  • Figure 4 illustrates a partial sectional view of an automatic advance drill with automatically disengageable vibratory component and automatic retraction according to the invention in a state in which the stop for blocking the translation of the spindle in direction drilling did not reach the stop and the vibratory feed was not disengaged;
  • FIG 5 Figure 5 a detail view of Figure 4;
  • FIG 6 Figure 6 illustrates another detail view of Figure 4.
  • Figure 7 illustrates a partial sectional view of an automatic advance drill with automatically disengageable vibratory component and automatic retraction according to the invention in a state in which the stop for blocking the translation of the spindle in direction drilling has not reached the stop and the vibratory feed is disengaged;
  • FIG 8 Figures 8 illustrates a detail view of Figure 7
  • FIG 9 Figure 9 illustrates another detail view of Figure 7
  • Figure 10 illustrates the chain of ribs used to determine the clearance J.
  • FIGS. 4 to 10 There is shown in relation to FIGS. 4 to 10 an automatic advance drill with vibrating clutch which can be disengaged automatically according to the invention.
  • Such a drill conventionally comprises means for automatic retraction of the spindle at the end of the travel known per se and therefore not described in more detail below.
  • Such means may for example be those known in the prior art, in particular those described in documents FR 2 918 592 and FR 2 881 366. It may also be those described in the present description in relation to FIGS. 1 and 2. Only the differences between a drill according to the invention and a drill such as that illustrated in Figures 1 and 2 are therefore detailed here.
  • the translational drive nut 19 is laterally extended by a first portion of shaft 191 on which is mounted the inner ring of a bearing 44 whose outer ring is mounted in the casing.
  • the drill includes a ring 280 which is stationary in rotation relative to the casing. This immobilization in rotation is obtained by means of a locking ball 282 housed in a housing of complementary shape formed at the periphery of the ring 280 and forming a projection on the peripheral surface of the ring 280.
  • This ball 282 is housed in a groove formed for this purpose in the casing longitudinally along the axis thereof.
  • This ring 280 has a flat surface 281 bearing against a shoulder 1 10 formed in the casing 1 1, and a surface 282 having undulations having an amplitude along the axis of translation of the spindle 10.
  • This ring 280 is also called ring wavy.
  • Rollers 40 are placed around the shaft portion 191 applied against the surface 282 having undulations. On the opposite side, these rollers 40 come into contact with a smooth ring 41.
  • the smooth ring 41 is mounted tightly around the shaft portion 191 and linked in rotation to the translational drive nut 19.
  • This smooth ring 41 is itself in contact with a lateral edge of the translation pinion 18 secured to the translation drive nut 19.
  • the opposite edge of the translational drive nut 19 is extended by a second shaft portion 192.
  • This edge has a groove portion 181 housing balls 42 which are also housed in a groove portion 162 formed in the ring. rotational drive 16.
  • the rotary drive ring 16 has a bore 161 inside which is housed the end of the second shaft portion 192 of the nut in translational drive 19. The adjustment of this assembly is chosen so that the translational drive nut 19 and the rotational drive ring 16 can rotate relative to each other.
  • the rotational drive ring 16 is laterally extended by a shaft portion 160 on which is mounted the inner ring of a bearing 43 whose outer ring is slidably mounted along the axis of the spindle in the housing.
  • the translational drive nut 19 and the rotational drive ring 16 are rotatably mounted in the housing 1 1 and one relative to the other.
  • a cage 45 with elastic washers is placed around the shaft portion 160. It has a bottom 451, crossed by a hole allowing the passage of the shaft portion 160, and a peripheral contour 452 delimiting with the bottom 451 and the shaft portion 160 a housing for elastic washers 46.
  • the cage 45 is mounted movable in translation inside the casing along the axis of the spindle.
  • the elastic washers 46 are interposed between the bottom 451 of the cage 45 and a shoulder 1 1 1 of the casing 1 1.
  • the elastic washers 46 tend to keep the drive nut in translation 19 against the ring 280. More specifically, they tend to keep the cage 45 in abutment against the bearing 43, the bearing 43 in abutment against the drive ring in rotation 16, the rotational drive ring 16 against the balls 42, the balls 42 against the translational drive nut 19, the translational drive nut 19 against the smooth ring 41, the smooth ring 41 against the rollers 40 and the rollers 40 against the vibratory advance surface of the ring 280. These different parts form a stack put under compression by the elastic washers along the axis of the spindle.
  • the elastic washers tend to push the translational drive nut 19 towards the means for generating a vibratory feed in such a way that the translational drive nut 19 follows the translational trajectory induced by the feed surface.
  • ring 280 When the elastic washers 46 compress the various parts of the stack listed above (from the cage 45 to the ring 28), a clearance exists between the end of the peripheral contour 452 of the cage 45 and the shoulder 11 1 of the casing.
  • This clearance J is at least equal to the sum of the amplitude of the undulations of the ring 280, of the advance per revolution of the spindle (ie the distance in translational movement of the spindle for one revolution of rotation) and the tolerance intervals dimensional along the axis of movement of the spindle of the different pieces stacked from the ring 280 to the cage 45 (cf. chain of dimensions in FIG. 10).
  • a safety factor value can be added to this sum.
  • the spindle carries a stop 47 defining the maximum travel of translation of the spindle in the direction of drilling.
  • This stop 47 is designed to come into abutment against a needle stop 48 fixed in translation in the casing along the longitudinal axis thereof.
  • the spindle 10 is rotated.
  • the spindle 10 is also driven in translation, the speed of advance of the spindle 10 being proportional to the difference in frequency of rotation of the rotation drive ring 16 and of the translation drive nut 19 and to the pitch of the helical connection between the spindle 10 and the translational drive nut 19.
  • the spindle 10 then follows a combined movement of rotation and translation along the same axis, ie the longitudinal axis of the spindle. While the spindle 10 is translating, the translational drive nut 19 follows the profile of the ring 280 thus inducing the addition of a vibratory component at the speed of advance.
  • the spindle 10 thus translates at a feed speed with a vibratory component over a predetermined maximum distance fixed by the position of the stop 47. Thus, the translation of the spindle continues until the stop 47 comes to bear against the needle stopper 48.
  • the displacement of the spindle 10 induces the transmission to the latter of a thrust force caused by the machining of the part being drilled.
  • the washers 46 must therefore be mounted with sufficient pre-compression to compress the various parts of the stack from the cage 45 to the ring 280 despite the thrust generated on the spindle by the drilling. Otherwise, the vibratory component would be inhibited by moving the translational drive nut 19 away from the ring 280. This pre-compression is called K below.
  • the translation drive nut 19 translates inside of the casing 1 1 along the spindle 10 in the direction opposite to the direction of drilling by compressing the elastic washers.
  • the translational drive nut 19 gradually tends to move away from the ring 280 until it reaches a position in which the rollers 40 lose contact with at least one of the ring 280 and the ring smooth 41. An automatic disengagement of the vibratory advance at the end of the stroke is thus obtained so that the vibratory component of the advance is inhibited.
  • the spindle 10 is rotated, after disengaging the vibratory feed, over a predetermined angle, preferably over at least one revolution.
  • the translational drive nut 19 retracts by a distance equal to the advance per revolution of the spindle.
  • the clearance J must at least be equal to the sum of the amplitude of the undulations of the ring 280, at least once the advance per revolution of the spindle (ie distance of displacement in translation of the spindle for a rotation) and dimensional tolerance intervals along the axis of movement of the spindle of the different pieces stacked from the ring 280 to the cage 45. Even if we prefer to have the spindle perform a turn after declutching the vibratory advance, in a variant, it could be chosen to perform more or less than one revolution of the spindle after declutching the vibratory advance in which case the clearance J will integrate the advance corresponding to the number of revolutions made by the spindle after disengagement of the vibratory advance.
  • the safety could be of the order of a few hundredths of a millimeter, for example 0.05 mm. A milling without undulation is thus obtained, the depth of which corresponds to the position of the drill at the end of the drilling operation defined by the position of the stop 47.
  • the technique according to the invention thus makes it possible to produce a milling of suitable quality. by precisely controlling the quality of the surface of the countersink and its depth, all with optimal chip evacuation.
  • the dimensioning of the elastic washers must meet two functional constraints:
  • the washers must be mounted with a pre-compression force K greater than the maximum thrust force on the drill in cutting action
  • the triggering of the retraction at the end of the drilling must not occur before the machining of the countersink is finished, in other words before the washers are compressed by a stroke at least equal to the sum of the amplitude of the undulations and at least once the advance per revolution of the spindle, value called W thereafter.
  • the triggering of the automatic retraction of the spindle depends on the difference between the couples Ca and Cr respectively transmitted by the drive nut in translation 19 and by the drive ring in rotation 16.
  • the resistant torque Ca undergone by the translational drive nut 19 is proportional to the compression force T of the elastic washers 46 according to the formula:
  • A is a constant dependent on the geometric characteristics of the nut and its yield.
  • the compression force T of the elastic washers is defined according to the formula:
  • the stiffness of the spring washers must therefore be less than Rmax so as not to trigger the automatic retraction of the spindle before milling is finished.
  • the spindle When, after disengaging the vibratory feed and then performing at least one additional spindle revolution to form a countersink without undulation, the spindle continues to be driven in rotation while being blocked in translation by the stop 47, the translational drive nut 19 continues to move away from the cage 280 until the end of the peripheral contour 452 of the cage 45 abuts against the shoulder 1 1 1.
  • the torque resistant undergone by the translation pinion 19 is such that the pins 22 come out of the housings 22 'so that the primary translation pinion 17 moves away from the rotation pinion 14 and is no longer linked in rotation with the latter.
  • the automatic retraction of the spindle in the opposite direction to the housing is then activated automatically.
  • the drill which has just been described is a detachable vibrating automatic advance drill and with automatic retraction.
  • it could be a drill with controlled cutting parameters as described in the titles FR3000693 or FR3058342.
  • a drill with controlled cutting parameters has two motors, one for rotating the spindle and the other for train in advance.
  • the control of these motors can be independently controlled.
  • the torques transmitted by the rotation or advance gears can be known by measuring the currents consumed by the corresponding motors.
  • the advance stroke can be known thanks to the angle sensor integrated in the advance motor.
  • the dimensioning and the integration of the elastic washers and the vibrator remain identical.
  • the retraction of the drill is obtained by reversing the direction of rotation of the advance motor when one of the following parameters taken in isolation or in combination is validated:
  • the undulations left on the surface of the milling are then removed by terminating the milling without any advance.
  • the means for disengaging the vibratory advance has an extremely simple architecture in that this automatic disengagement is obtained, when the stop stops the progression in translation of the spindle, by the spacing of the translational drive nut.
  • the technique according to the invention thus makes it possible to optimize the evacuation of the cutter while guaranteeing the production of a good quality milling, and this in a structurally very simple manner.
  • the elastic washers are mounted with washers a pre-compression force greater than the maximum thrust force on the drill in cutting action. Thus, if during a cutting action the thrust force becomes greater than the maximum thrust force taken into account to determine the pre-compression of the washers, then the elastic washers are compressed.
  • the elastic washers thus act as a shock absorber which protects weak elements of the transmission chain, in particular the cutting tool. This is not allowed by the architecture according to the prior art in which the position of the vibrator is reversed with respect to that of an architecture according to the invention.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de perçage comprenant un carter et une broche (10) apte à porter un outil coupant, ladite broche étant montée mobile en rotation et en translation selon un même axe à l'intérieur dudit carter, ledit dispositif comprenant des moyens moteurs reliés à ladite broche au moyen d'une transmission apte à générer un mouvement combiné de rotation et de translation de ladite broche selon ledit axe, ledit dispositif comprenant une butée (47) portée par ladite broche délimitant une course maximale prédéterminée de translation de ladite broche dans le sens d'un perçage, ladite course maximale étant atteinte lorsque ladite butée se trouve dans une position de fin de perçage, ledit dispositif comprenant des moyens de génération d'une avance axiale vibratoire (280, 40, 41) induisant une oscillation périodique de ladite translation de ladite broche selon deux directions opposées de sorte à générer un mouvement d'avance vibratoire de ladite broche le long dudit axe. Selon l'invention, ledit dispositif comprend des moyens de débrayage automatique desdits moyens de génération d'une avance axiale vibratoire, après que ladite butée se trouve dans ladite position de fin de perçage, ledit débrayage automatique permettant une rotation de ladite broche selon ledit axe sur au moins un angle prédéterminé sans aucune avance.

Description

DESCRI PTION
Titre : Dispositif de perçage automatique à moyens de génération d’avance vibratoire débrayable automatiquement
1 . Domaine de l’invention
Le domaine de l’invention est celui de la conception et de la fabrication des outils ou dispositifs de perçage plus communément appelés perceuses.
Plus précisément, l’invention concerne un dispositif de perçage à vitesse d’avance automatique.
2. Art antérieur
Une perceuse à vitesse d’avance automatique comprend classiquement un moteur pneumatique ou électrique et une broche de sortie, destinée à entraîner en mouvement un outil comme un foret ou une fraise, laquelle broche étant simultanément entraînée en rotation et en translation selon un même axe pour réaliser un usinage axial comme une opération de perçage.
Les perceuses à avance automatique comprennent un unique moteur qui permet à la fois d’entraîner la broche en rotation et en translation selon un même axe.
La figure 1 illustre une vue partielle en coupe d’une perceuse à avance automatique selon l’art antérieur.
Ainsi que cela est représenté, une telle perceuse comprend une broche 10 montée mobile en translation et en rotation selon un même axe (en l’occurrence l’axe longitudinal de la broche) à l’intérieur d’un carter 11.
La perceuse comprend un moteur (non représenté) dont le rotor est relié à un premier pignon conique 12 engrenant avec un deuxième pignon conique 13. Dans ce cas, l’axe de la broche est orthogonal à l’axe du moteur.
De manière alternative, l’axe de la broche peut être parallèle à l’axe du moteur auquel cas les pignons coniques ne sont pas mis en œuvre mais peuvent être remplacés par des pignons droits.
Le pignon 13 est lié en rotation à un pignon intermédiaire de rotation 14. Ce dernier engrène avec un pignon de rotation 15. Le pignon de rotation 15 est lié en rotation avec une bague d’entrainement en rotation 16. Cette bague d’entrainement en rotation 16 comprend un alésage intérieur rainuré de forme complémentaire d’une portion rainurée de la broche 10. La broche 10 est ainsi liée en rotation avec bague d’entrainement en rotation 16 tout en étant mobile en translation par rapport à celui-ci le long de son axe longitudinal. La perceuse comprend un pignon intermédiaire de translation 17 engrenant avec un pignon de translation 18. Le pignon de translation 18 est lié en rotation avec une noix d’entrainement en translation 19. La noix d’entrainement en translation 19 comprend un alésage intérieur taraudé de forme complémentaire d’une portion filetée de la broche 10. La noix d’entrainement en translation est ainsi liée la broche par une liaison hélicoïdale dont l’axe est l’axe longitudinal de la broche.
Le pignon intermédiaire de translation 17 est monté mobile en translation sur un arbre 20 contre l’effet d’un ressort de compression 21. Le pignon intermédiaire de translation 17 est lié en rotation de manière réversible avec le pignon intermédiaire de rotation 14 au moyen de goupilles 22. Ces goupilles 22 viennent se loger dans des logements 22’ de forme complémentaire 23 ménagés dans le pignon intermédiaire de rotation 14. Les goupilles 22 jouent alors le rôle d’un limiteur de couple, ainsi que cela ressortira plus clairement par la suite.
Le pignon intermédiaire de translation 17 est solidaire en translation de la tige 23 d’un vérin 24 comprenant un piston 25 monté mobile à l’intérieur d’un cylindre 26. La tige 23 est montée mobile en translation sur l’arbre 20.
Afin de réaliser une opération de perçage, le bouton marche de la perceuse est actionné de telle sorte que le moteur est mis en route afin de faire tourner le couple conique 12, 23. De ce fait, le pignon intermédiaire de rotation 14 et le pignon intermédiaire de translation 17, qui sont liés en rotation par les goupilles 22, sont entraînés en rotation à la même fréquence. Ainsi sont également entraînées en rotation le pignon de rotation 15 et le pignon de translation 18 ainsi que la bague d’entrainement en rotation 16 et la noix d’entrainement en translation 16 qui y sont respectivement liées. Compte tenu :
des rapports de transmission entre le pignon intermédiaire de rotation 14 et le pignon de rotation 15 d’une part, et entre le pignon intermédiaire de translation 17 et le pignon de translation 18 d’autre part, lesquels rapports de transmission sont différents, et
du pas de la liaison hélicoïdale entre la broche 10 et la noix d’entrainement en translation 19,
les fréquences de rotation de la noix d’entrainement en translation 19 et de la bague d’entrainement en rotation 16 sont différentes. Par conséquent, la mise en rotation du moteur induit un déplacement combiné en rotation et en translation de la broche selon un même axe, la translation se faisant vers la pièce à percer selon la flèche P. Les deux ratios précédemment mentionnés ainsi que le pas du filetage de la broche sont choisis pour obtenir une valeur d’avance par tour conforme au besoin.
La broche 10 porte une butée 47 définissant la profondeur de perçage. Le mouvement d’avance de la broche 10 se poursuit donc jusqu’à ce que la butée 47 vienne en appui contre un élément fixe en translation, dans le carter prévu à cet effet. Ici, le pignon de rotation constitue l’élément fixe. Lorsque la butée 47 vient en butée contre cet élément fixe, la translation de la broche par rapport au mignon de rotation s’arrête si bien que la progression du perçage s’achève. La rétractation de la broche, c’est-à-dire son retour en arrière, est alors mis en œuvre de manière automatique tel que cela va à présent être décrit.
Lorsque la translation de la broche est bloquée dans le sens du perçage par la butée 47 mais que le moteur continu de tourner, la différence entre les couples résistants respectivement supportés par le pignon intermédiaire de rotation 14 et par le pignon intermédiaire de translation 17 croit jusqu’à atteindre une valeur telle que les goupilles 22 sortent des logements 22’. Le pignon intermédiaire de translation 17 s’écarte du pignon intermédiaire de rotation 14 est n’est plus lié en rotation avec celui-ci.
Ce déplacement linéaire du pignon intermédiaire de translation 17 induit l’actionnement d’une commande du vérin 24 (non représentée) dont la mise en œuvre permet d’éloigner encore davantage le pignon intermédiaire de translation 17 du pignon intermédiaire de rotation 14.
Le pignon intermédiaire de translation 17 porte des demis crabots 170, qui à l’issue de la course du piston 26 du vérin, viennent coopérer avec des demis crabots 27 de forme complémentaire ménagés dans le carter. Le pignon intermédiaire de translation 17 est ainsi immobilisé en rotation.
L’immobilisation en rotation du pignon intermédiaire de translation 17 s’accompagne d’un blocage en rotation de la noix d’entrainement en translation 19. La différence de fréquence de rotation entre la noix d’entrainement en translation et la bague d’entrainement en rotation est telle qu’un déplacement en translation de la broche dans le sens R d’une rétractation du foret, opposé au sens de perçage P, est obtenu.
Lors de la rétractation, la différence de fréquence de rotation entre la noix d’entrainement en translation et la bague d’entrainement en rotation est égale à la fréquence de rotation de la broche puisque la noix d’entrainement en translation est bloquée en rotation. La vitesse d’avance de la broche au cours de la rétractation est donc égale au produit du pas de la broche par la fréquence de rotation de la broche. Une telle technique de commande d’une rétractation automatique est par exemple décrite dans le document FR 2 918 592.
Au cours d’une opération de perçage, un copeau composé de la matière enlevée à la pièce usinée, se forme.
Ce copeau tend à s’accumuler dans le trou en cours de perçage et autour du foret par un phénomène dénommé bourrage. Ce phénomène est de nature à induire un risque de casse de l’outil coupant et de détérioration de l’état de surface du trou.
Pour limiter ce phénomène, l’outil dispose de goujures et la lubrification permet également de faire glisser les copeaux.
Afin de fragmenter les copeaux en vue de faciliter leur évacuation au cours d’une opération de perçage dans le but de réduire ou supprimer le bourrage est ses conséquences, des perceuses dites à avance vibratoire ont été conçues.
Ces perceuses comprennent des moyens aptes à appliquer sur la broche une avance avec une composante d’avance vibratoire pour provoquer une sortie des arrêtes de coupe du foret de la matière en cours d’usinage et de réaliser ainsi un fractionnement du copeau. L’amplitude de cette composante vibratoire peut par exemple varier de 0.1 mm à 0.35mm. La composante vibratoire est conçue de telle sorte que la trajectoire des arrêtes de coupe du foret ne soit pas synchrone d’un tour de broche au suivant, ceci pour permettre le fractionnement du copeau.
Le fractionnement du copeau facilite son extraction du trou et améliore la qualité du perçage et la productivité.
Pour cela, un module appelé vibrant est intégré dans la chaîne de pièce reprenant les efforts de poussée sur le foret.
Ce vibrant comprend :
une première bague 28i présentant, sur l’une de ses faces, un nombre donné d’ondulations de surface réparties suivant un angle régulier, cette surface étant appelée surface d’avance vibratoire dans la suite du texte. L’amplitude de ces ondulations est mesurée selon l’axe du déplacement en translation de la broche entre le creux et le sommet d’une ondulation. L’autre face de cette bague est lisse une deuxième bague 282 présentant deux faces lisses.
une cage portant un nombre de rouleaux 283 équivalent au nombre d’ondulation, ces rouleaux 283 étant placé entre les deux bagues 28i, 282 et portant sur les ondulations de la première bague 28i. La position des bagues ondulée 28i et lisse 282 peut être inversée.
Le vibrant est assemblé dans le carter, le long de la broche, avec la bague d’entrainement en rotation 16, une butée à bille intermédiaire, la noix d’entrainement en translation 19, ces différentes pièces formant un empilage précontraint par un ressort 284.
La bague ondulée 28i est solidaire en rotation de la bague d’entrainement en rotation 16. Pour cela, elle est par exemple montée serrée et/ou collée sur l’épaulement de la bague d’entrainement en rotation 16. La bague lisse 282 est montée serrée dans le carter 11. Ainsi, en action de perçage, la bague ondulée 28i tourne par rapport à la bague lisse 282 suivant l’axe de la broche.
Les rouleaux 283 étant en contact d’une part avec les ondulations de la bague ondulée 28i et d’autre part avec la bague lisse 282, ils roulent donc sur les ondulations en provoquant ainsi un écartement variable des deux bagues 28i, 282.
Le mouvement d’écartement des bagues 28i et 282 induit donc un mouvement de translation des autres pièces de l’empilage dont la noix d’entrainement en translation 19. Lorsque l’écartement desdites bagues augmente le ressort s’écrase, lorsque l’écartement desdites bagues diminue le ressort se détend.
De cette façon, lorsque la perceuse est mise en œuvre pour réaliser un perçage, la noix d’entrainement en translation suit le même mouvement en translation que la bague ondulée 28i si bien que s’ajoute une composante vibratoire, i.e. une avance oscillante, à l’avance en translation générée sur la broche.
Une telle technique d’avance vibratoire est par exemple décrite dans le document WO2011/061678.
Ce type de perceuse à avance automatique avec rétractation automatique et/ou avance vibratoire sont couramment mises en œuvre dans divers secteurs industriels comme par exemple dans celui de l’aéronautique notamment pour le perçage de structures avionnées.
Ces perceuses peuvent par exemple être fixées sur des grilles de perçage repérant l’emplacement dans l’espace de différents perçages à réaliser, et déplacées par un opérateur d’un emplacement vers un autre pour réaliser successivement différents trous.
Il peut être souhaité de terminer un perçage par la réalisation d’une fraisure destinée par exemple à recevoir une tête de rivet ou de vis. On réalise alors un trou fraisuré de forme tronconique. Il est nécessaire que la surface de cette fraisure coïncide avec la surface de la tête de rivet ou de vis pour assurer une étanchéité convenable dans cette zone de jonction.
L’usinage d’une telle fraisure est réalisé dans la même action que le perçage au moyen d’un foret particulier tel que celui illustré à la figure 3. Un tel foret 30 comprend, en aval de la portion 31 du foret permettant la réalisation d’un trou, des arrêtes de coupe coniques 32 qui entrent en contact avec la matière en fin de perçage. La profondeur de cette fraisure est déterminée par la position qu’occupe le foret au moment où l’avance du foret est stoppée.
Une telle fraisure peut être destinée à être le logement d’une tête de rivet ou de vis dans le cadre de l’assemblage de panneaux de structures avionnées induisant que l’étanchéité entre la tête de rivet ou de vis et le panneau doit être parfaite. Par conséquent, la géométrie d’une telle fraisure doit être conforme à des tolérances géométriques serrées. A titre d’exemple, une profondeur de fraisure peut être demandée avec une tolérance de forme de 50 pm.
De telles tolérances géométriques pour la fraisure sont difficiles à respecter avec une perceuse à avance automatique de type à avance vibratoire.
En effet, l’usinage de la fraisure est finalisé dans l’instant qui commence à l’arrivée de la butée en contact avec le pignon de rotation et qui finit lorsque que la broche part en marche arrière.
Durant cette phase, le vibrant reste actif et impose à la broche un mouvement d’avance vibratoire (seulement dans le sens de la rétractation car la broche est bloquée en avance dans le sens du perçage par la butée). Ce mouvement d’avance vibratoire génère des ondulations sur la surface de la fraisure.
Il en résulte que l’état de surface de la fraisure et sa profondeur peuvent ne pas être conformes aux exigences du fabriquant.
Par conséquent, les trous fraisurés sont généralement réalisés sans avance vibratoire ce qui n’est pas satisfaisant sur le plan de la prévention du bourrage des copeaux.
Un besoin existe donc de procurer une perceuse à avance automatique vibratoire apte à permettre de réaliser des trous fraisurés de manière convenable.
3. Objectifs de l’invention
L’invention a notamment pour objectif d’apporter une solution efficace à au moins certains de ces différents problèmes.
En particulier, selon au moins un mode de réalisation, un objectif de l’invention est de fournir une perceuse à avance automatique vibratoire permettant de réaliser un trou fraisuré convenable.
Notamment, l’invention a pour objectif, selon au moins un mode de réalisation, de fournir une telle perceuse qui permet de réaliser un trou avec une fraisure dont l’état de surface soit de bonne qualité, i.e. ne présente pas d’ondulations.
Un autre objectif de l’invention est, selon au moins un mode de réalisation, de fournir une telle perceuse qui permet de réaliser un trou avec une fraisure dont la profondeur soit correctement maîtrisée.
Un autre objectif de l’invention est, dans au moins un mode de réalisation, d’optimiser l’évacuation du copeau y compris au cours de la formation d’une fraisure.
Un autre objectif de l’invention est de procurer une telle technique qui soit, selon au moins un mode de réalisation, fiable et/ou robuste et/ou simple de conception et/ou économique.
4. Présentation de l’invention
Pour ceci, l’invention propose un dispositif de perçage comprenant un carter et une broche apte à porter un outil coupant, ladite broche étant montée mobile en rotation et en translation selon un même axe à l’intérieur dudit carter,
ledit dispositif comprenant des moyens moteurs reliés à ladite broche au moyen d’une transmission apte à générer un mouvement combiné de rotation et de translation de ladite broche selon ledit axe,
ledit dispositif comprenant une butée portée par ladite broche délimitant une course maximale prédéterminée de translation de ladite broche dans le sens d’un perçage, ladite course maximale étant atteinte lorsque ladite butée se trouve dans une position de fin de perçage,
ledit dispositif comprenant des moyens de génération d’une avance axiale vibratoire induisant une oscillation périodique de ladite translation de ladite broche selon deux directions opposées de sorte à générer un mouvement d’avance vibratoire de ladite broche le long dudit axe.
Selon l’invention, ledit dispositif comprend des moyens de débrayage automatique desdits moyens de génération d’une avance axiale vibratoire, après que ladite butée se trouve dans ladite position de fin de perçage, ledit débrayage automatique permettant une rotation de ladite broche selon ledit axe sur au moins un angle prédéterminé sans aucune avance.
Ainsi, l’invention propose une perceuse à avance automatique à vibrant débrayable automatiquement qui permet d’effectuer un perçage sur une profondeur donnée avec une avance vibratoire puis de débrayer de manière automatique l’avance vibratoire pour terminer l’usinage d’une fraisure sans avance.
Une telle perceuse permet ainsi, au cours d’une opération de perçage, de réaliser :
un perçage à avance vibratoire jusqu’à une profondeur prédéterminée, puis terminer un fraisurage sans avance.
Le perçage à avance vibratoire, y compris au cours de la réalisation de la fraisure, permet notamment de garantir une bonne évacuation des copeaux tant au cours de la réalisation du perçage qu’au cours de la réalisation de la fraisure et ainsi de limiter le risque de casse du foret tout en réalisant des trous ayant un état de surface convenable.
La fin de la réalisation de la fraisure se fait sans aucune avance pour supprimer toute ondulation à la surface de la fraisure. On obtient ainsi une fraisure sans ondulation de surface et ayant une profondeur maîtrisée.
La technique selon l’invention permet ainsi de générer des trous ayant une fraisure de belle qualité tout en optimisant l’évacuation des copeaux.
Selon une variante possible, ledit angle prédéterminée de rotation de ladite broche sans aucune avance est égal à au moins un tour de broche.
L’entrainement de la broche sur un tour sans avance est en principe suffisant pour supprimer de manière les ondulations à la surface de la fraisure tout en conservant une bonne productivité
Selon une variante possible, ladite transmission comprend une noix d’entrainement en translation liée à ladite broche au moyen d’une liaison hélicoïdale selon ledit axe, lesdits moyens de génération d’une avance axiale vibratoire comprenant une surface d’avance vibratoire présentant des ondulations ayant une amplitude selon ledit axe, des moyens de rappel élastique tendant à pousser ladite noix d’entrainement en translation vers lesdits moyens de génération d’une avance vibratoire afin de faire suivre à ladite noix d’entrainement une trajectoire en translation induite par ladite surface d’avance vibratoire.
Cette solution simple permet de générer de manière efficace et robuste une avance vibratoire. Selon une variante possible, ladite noix d’entrainement en translation est montée mobile en translation à l’intérieur dudit carter contre l’effet desdits moyens de rappel élastique, lesdits moyens de rappel s’opposant à l’effort de poussée axiale induit par ledit outil coupant sur ladite broche au cours d’une opération de perçage.
Ainsi, lorsque la broche est bloquée en translation en fin de perçage, la poursuite de l’entrainement en rotation de la broche induit un déplacement dans le sens opposé à celui de l’avance de perçage de la noix d’entrainement en translation par rapport au carter, ce mouvement étant exploité pour débrayer l’avance vibratoire.
Selon une variante possible, la course de déplacement en translation de ladite noix d’entrainement en translation à l’intérieur dudit carter est au moins égale à la somme de ladite amplitude de ladite surface d’avance vibratoire le long dudit axe et de l’avance correspondant à la rotation de ladite broche sans aucune avance sur ledit angle prédéterminée.
Ceci permet de garantir un débrayage efficace de l’avance vibratoire.
Selon une variante possible, une poursuite de la rotation de ladite broche après que ladite butée se trouve dans ladite position de fin de perçage s’accompagne d’un déplacement en translation de ladite noix d’entrainement dans le sens inverse du sens de perçage, contre l’effet desdits moyens de rappel élastique, tendant à éloigner ladite noix d’entrainement en translation desdits moyens de génération d’une avance vibratoire.
On obtient ainsi un débrayage simple mais efficace de l’avance vibratoire.
Selon une variante possible, un dispositif selon l’invention comprend un élément fixe en translation par rapport audit carter le long dudit axe contre lequel ladite butée portée par ladite broche est destinée à venir en appui lorsqu’elle est déplacée en translation selon ledit axe dans le sens d’un perçage.
Il est ainsi possible de stopper efficacement et simplement l’avance de la broche en fin de perçage.
Selon une variante possible, lesdits moyens de rappel sont montés avec un effort de pré-compression supérieur à la valeur maximale d’un effort de poussée axiale imprimé à ladite broche au cours d’un perçage. On évite ainsi un débrayage intempestif de l’avance vibratoire sous le seul effet de la poussée encaissée par la broche en cours de perçage.
Selon une variante possible, ladite transmission comprend une bague d’entrainement en rotation à laquelle ladite broche est liée en rotation mais libre en translation selon ledit axe.
Selon une variante possible, un dispositif selon l’invention comprend des moyens de rétractation automatique de ladite broche dans le sens inverse d’un perçage en fin de perçage.
Dans ce cas, et selon une variante possible, lesdits moyens de rétractation automatique sont configurés et la raideur maximale desdits moyens de rappel est choisie de manière telle que lesdits moyens de rappel soient compressés, avant déclenchement desdits moyens de rétractation automatique, d’une course au moins égale à la somme de ladite amplitude de ladite surface d’avance vibratoire le long dudit axe et de l’avance correspondant à la rotation de ladite broche sans aucune avance sur ledit angle prédéterminée.
On évite ainsi le déclenchement de la rétractation à la fin du perçage ne se produise avant que l’usinage de la fraisure ne soit fini.
Selon une variante possible, un dispositif de perçage selon l’invention appartient au groupe comprenant :
les perceuses de type à avance automatique ;
les perceuses de type à paramètres de coupe contrôlés.
L’invention concerne également un procédé de réalisation d’un perçage au moyen d’un dispositif selon l’une quelconque des variantes ci-dessus.
Selon une variante possible, un tel procédé de perçage comprend la réalisation d’une fraisure, ladite fraisure étant finalisée sans aucune avance après le débrayage automatique desdits moyens de génération d’une avance axiale vibratoire.
5. Description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers, donnée à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
[Fig 1 ] la figure 1 illustre une vue partielle en coupe longitudinale d’une perceuse à avance automatique vibratoire et à rétractation automatique selon l’art antérieur dans un état dans lequel la butée de blocage de la translation de la broche en sens perçage n’est pas arrivée en butée ;
[Fig 2] la figure 2 illustre une vue partielle en coupe longitudinale d’une perceuse à avance automatique vibratoire et à rétractation automatique selon l’art antérieur dans un état dans lequel la butée de blocage de la translation de la broche en sens perçage est arrivée en butée ;
[Fig 3] la figure 3 illustre une vue de côté d’un foret permettant la réalisation d’un trou fraisuré ;
[Fig 4] la figure 4 illustre une vue partielle en coupe d’une perceuse à avance automatique à composante vibratoire débrayable automatiquement et à rétractation automatique selon l’invention dans un état dans lequel la butée de blocage de la translation de la broche en sens perçage n’est pas arrivée en butée et l’avance vibratoire n’est pas débrayée ;
[Fig 5] la figure 5 une vue de détail de la figure 4 ;
[Fig 6] la figure 6 illustre une autre vue de détail de la figure 4 ;
[Fig 7] la figure 7 illustre une vue partielle en coupe d’une perceuse à avance automatique à composante vibratoire débrayable automatiquement et à rétractation automatique selon l’invention dans un état dans lequel la butée de blocage de la translation de la broche en sens perçage est pas arrivée en butée et l’avance vibratoire est débrayée ;
[Fig 8] la figures 8 illustre une vue de détail de la figure 7 ;
[Fig 9] la figure 9 illustre une autre vue de détail de la figure 7 ;
[Fig 10] la figure 10 illustre la chaîne de côtes permettant de déterminer le jeu J.
6. Description de modes de réalisation particuliers
6.1 . Architecture
On présente en relation avec les figures 4 à 10 une perceuse à avance automatique à vibrant débrayable automatiquement selon l’invention.
Une telle perceuse comprend classiquement des moyens de rétractation automatique de la broche en fin de course connus en soit et donc non décrit plus en détail par la suite. De tels moyens peuvent par exemple être ceux connus dans l’art antérieur, notamment ceux décrits dans les documents FR 2 918 592 et FR 2 881 366. Il peut encore s’agir de ceux décrits dans la présente description en relation avec les figures 1 et 2. Seules les différences entre une perceuse selon l’invention et une perceuse telle que celle illustrée aux figures 1 et 2 sont donc ici détaillées.
La noix d’entrainement en translation 19 est latéralement prolongée par une première portion d’arbre 191 sur laquelle est montée la bague intérieure d’un roulement 44 dont la bague extérieure est montée dans le carter.
La perceuse comprend une bague 280 immobile en rotation par rapport au carter. Cette immobilisation en rotation est obtenue au moyen d’une bille de blocage 282 logée dans un logement de forme complémentaire ménagé en périphérie de la bague 280 et formant saillie à la surface périphérique de la bague 280. Cette bille 282 vient se loger dans une rainure ménagée à cet effet dans le carter de manière longitudinale selon l’axe de celui-ci. Cette bague 280 présente une surface plane 281 en appui contre un épaulement 1 10 formé dans le carter 1 1 , et une surface 282 présentant des ondulations ayant une amplitude selon l’axe de translation de la broche 10. Cette bague 280 est encore appelée bague ondulée.
Des rouleaux 40 sont placés autour de la portion d’arbre 191 en applique contre la surface 282 présentant des ondulations. Du côté opposé, ces rouleaux 40 viennent au contact d’une bague lisse 41.
La bague lisse 41 est montée serrée autour de la portion d’arbre 191 et liée en rotation à la noix d’entrainement en translation 19.
Cette bague lisse 41 est elle-même au contact d’un bord latéral du pignon de translation 18 solidaire de la noix d’entrainement en translation 19.
La position des bague ondulée 280 et bague lisse 41 peut-être inversée auquel cas la bague lisse est immobile en rotation dans le carter et la bague ondulée est liée en rotation à la noix d’entrainement en translation 19.
Le bord opposé de la noix d’entrainement en translation 19 est prolongé par une deuxième portion d’arbre 192. Ce bord présente une portion de gorge 181 logeant des billes 42 qui sont également logées dans une portion gorge 162 ménagée dans la bague d’entrainement en rotation 16.
La bague d’entrainement en rotation 16 présente un alésage 161 à l’intérieur duquel vient se loger l’extrémité de la deuxième portion d’arbre 192 de la noix d’entrainement en translation 19. L’ajustement de cet assemblage est choisi de telle sorte que la noix d’entrainement en translation 19 et la bague d’entrainement en rotation 16 puissent tourner l’une par rapport à l’autre.
La bague d’entrainement en rotation 16 est latéralement prolongée par une portion d’arbre 160 sur laquelle est montée la bague intérieure d’un roulement 43 dont la bague extérieure est montée coulissante selon l’axe de la broche dans le carter.
Ainsi, la noix d’entrainement en translation 19 et la bague d’entrainement en rotation 16 sont montées mobiles en rotation dans le carter 1 1 et l’une par rapport à l’autre.
Une cage 45 à rondelles élastiques est placée autour de la portion d’arbre 160. Elle présente un fond 451 , traversé par un trou permettant le passage de la portion d’arbre 160, et un contour périphérique 452 délimitant avec le fond 451 et la portion d’arbre 160 un logement pour des rondelles élastiques 46. La cage 45 est montée mobile en translation à l’intérieur du carter selon l’axe de la broche.
Les rondelles élastiques 46 sont interposées entre le fond 451 de la cage 45 et un épaulement 1 1 1 du carter 1 1.
Les rondelles élastiques 46 tendent à maintenir la noix d’entrainement en translation 19 contre la bague 280. Plus précisément, elles tendent à maintenir la cage 45 en appui contre le roulement 43, le roulement 43 en appui contre la bague d’entrainement en rotation 16, la bague d’entrainement en rotation 16 contre les billes 42, les billes 42 contre la noix d’entrainement en translation 19, la noix d’entrainement en translation 19 contre la bague lisse 41 , la bague lisse 41 contre les rouleaux 40 et les rouleaux 40 contre la surface d’avance vibratoire de la bague 280. Ces différentes pièces forment un empilage mis en compression par les rondelles élastiques suivant l’axe de la broche.
Ainsi, les rondelles élastiques tendent à pousser la noix d’entrainement en translation 19 vers les moyens de génération d’une avance vibratoire de manière telle que la noix d’entrainement en translation 19 suit la trajectoire en translation induite par la surface d’avance vibratoire de la bague 280. Lorsque les rondelles élastiques 46 mettent en compression les différentes pièces de l’empilement listées ci-dessus (depuis la cage 45 jusqu’à la bague 28), un jeu existe entre l’extrémité du contour périphérique 452 de la cage 45 et l’épaulement 11 1 du carter.
Ce jeu J est au moins égal à la somme de la amplitude des ondulations de la bague 280, de l’avance par tour de la broche (i.e. distance de déplacement en translation de la broche pour un tour de rotation) et des intervalles de tolérances dimensionnelles selon l’axe de déplacement de la broche des différentes pièces empilées depuis la bague 280 jusqu’à la cage 45 (cf. chaîne de cotes sur la figure 10). A cette somme peut être ajoutée une valeur de coefficient de sécurité.
La broche porte une butée 47 délimitant la course maximale de translation de la broche dans le sens d’un perçage.
Cette butée 47 est prévue pour venir en appui contre une butée à aiguilles 48 fixe en translation dans le carter suivant l’axe longitudinal de celui-ci.
6.2. Fonctionnement
La mise en œuvre d’une perceuse selon l’invention pour procéder au perçage d’un trou fraisuré va à présent être décrit.
L’appui sur le bouton d’actionnement de la perceuse induit une mise en rotation du moteur. Sous l’effet de la rotation du moteur, la broche 10 est entraînée en rotation. En outre, compte tenu de la différence des ratios d’une part du pignon intermédiaire de rotation 14 et du pignon de rotation 15, et d’autre part du pignon intermédiaire de translation 17 et du pignon de translation 18, la broche 10 est également entraînée en translation, la vitesse d’avance de la broche 10 étant proportionnelle à la différence de fréquence de rotation de la bague d’entrainement en rotation 16 et de la noix d’entrainement en translation 19 et au pas de la liaison hélicoïdale entre la broche 10 et la noix d’entrainement en translation 19.
La broche 10 suit alors un mouvement combiné de rotation et de translation selon un même axe, i.e. l’axe longitudinal de la broche. Tout pendant que la broche 10 se translate, la noix d’entrainement en translation 19 suit le profil de la bague 280 induisant ainsi l’ajout d’une composante vibratoire à la vitesse d’avance.
La broche 10 se translate ainsi selon une vitesse d’avance avec une composante vibratoire sur une distance maximale prédéterminée fixée par la position de la butée 47. Ainsi, la translation de la broche se poursuit jusqu’à ce que la butée 47 vienne en appui contre la butée à aguilles 48.
Lorsque la butée 47 arrive dans une position de fin de perçage en appui contre la butée à aiguilles 48, le perçage du trou est achevé et la fraisure est réalisée mais sa surface est ondulée du fait de l’avance vibratoire utilisée pour optimiser l’évacuation des copeaux. Il convient alors de terminer la réalisation de la fraisure en supprimant toute ondulation à sa surface. Ceci est obtenu, comme cela va à présent être décrit, en poursuivant la fraisure sans aucune avance du fait du débrayage de l’avance vibratoire.
Le déplacement de la broche 10 induit la transmission à celle-ci d’un effort de poussée occasionné par l’usinage de la pièce en cours de perçage. Les rondelles 46 doivent donc être montées avec une pré compression suffisante pour mettre en compression les différentes pièces de l’empilement depuis la cage 45 jusqu’à la bague 280 malgré la poussée engendrée sur la broche par le perçage. Sinon, la composante vibratoire serait inhibée par un éloignement de la noix d’entrainement en translation 19 par rapport à la bague 280. Cette pré compression est appelée K par la suite.
En action de perçage, avant que la butée 47 vienne en appui contre la butée à aiguilles 48, la perceuse se trouve dans l’état illustré aux figures 4, 5 et 6 sur lesquelles le jeu J entre l’extrémité du contour périphérique 452 de la cage 45 et l’épaulement 1 1 1 oscille entre sa valeur maximale Jmax et la soustraction ( Jmax - amplitude des ondulations).
Dès lors que la butée 47 est en appui contre la butée à aiguilles 48, la broche 10 est bloquée en translation dans le sens du perçage. La profondeur maximale de la fraisure est alors atteinte.
Puisque la broche 10 est bloquée en translation, mais qu’elle continue d’être entraînée en rotation, la noix d’entrainement en translation 19 se translate à l’intérieur du carter 1 1 le long de la broche 10 dans le sens opposé au sens du perçage en comprimant les rondelles élastiques.
Par ce déplacement, la noix d’entrainement en translation 19 tend progressivement à s’éloigner de la bague 280 jusqu’à atteindre une position dans laquelle les rouleaux 40 perdent le contact avec au moins l’une de la bague 280 et de la bague lisse 41. On obtient ainsi un débrayage automatique de l’avance vibratoire en fin de course si bien que la composante vibratoire de l’avance est inhibée.
La poursuite de l’entrainement en rotation de la broche 10 permet de réaliser une fraisure sans aucune avance puisque la composante d’avance vibratoire est inhibée et que l’avance de la broche est bloquée par la butée 47.
Pour garantir que la fraisure présente une surface et une profondeur régulières, la broche 10 est entraînée en rotation, après le débrayage de l’avance vibratoire, sur un angle prédéterminé, préférentiellement sur au moins un tour.
Au cours de ce tour de broche 10, la noix d’entrainement en translation 19 recule d’une distance égale à l’avance par tour de la broche.
Pour permettre un tel déplacement, le jeu J doit au moins être égale à la somme de la amplitude des ondulations de la bague 280, d’au moins une fois l’avance par tour de la broche (i.e. distance de déplacement en translation de la broche pour un tour de rotation) et des intervalles de tolérances dimensionnelles selon l’axe de déplacement de la broche des différentes pièces empilées depuis la bague 280 jusqu’à la cage 45. Même si l’on préférera faire effectuer à la broche un tour après débrayage de l’avance vibratoire, dans une variante, il pourrait être choisi d’effectuer plus ou moins d’un tour de broche après débrayage de l’avance vibratoire auquel cas le jeu J intégrera l’avance correspondant au nombre de tour effectué par la broche après débrayage de l’avance vibratoire. On peut ajouter à ce jeu un coefficient de sécurité. Par exemple, si la amplitude des ondulations de la bague 280 est égale à 0,3 mm, que l’avance par tour de la broche est égale à 0, 1 mm, que l’on fait faire un tour à la broche après débrayage de l’avance vibratoire, la sécurité pourra être de l’ordre de quelques centièmes de millimètres, par exemple 0,05 mm. On obtient ainsi une fraisure sans ondulation et dont la profondeur correspond à la position du foret à la fin de l’opération de perçage définie par la position de la butée 47. La technique selon l’invention permet ainsi de réaliser une fraisure de qualité convenable en maîtrisant de manière précise la qualité de la surface de la fraisure et sa profondeur le tout avec une évacuation optimale des copeaux.
Dimensionnement des rondelles élastiques
Le dimensionnement des rondelles élastiques doit répondre à deux contraintes fonctionnelles :
les rondelles doivent être montées avec un effort de pré-compression K supérieur à l’effort de poussée maximale sur le foret en action de coupe ;
le déclenchement de la rétractation à la fin du perçage ne doit pas se produire avant que l’usinage de la fraisure ne soit fini, autrement dit avant que les rondelles ne se soient compressées d’une course au moins égale à la somme de l’amplitude des ondulations et d’au moins une fois l’avance par tour de la broche, valeur appelée W par la suite.
Comme cela a été expliqué plus haut, le déclenchement de la rétractation automatique de la broche dépend de la différence entre les couples Ca et Cr respectivement transmis par la noix d’entrainement en translation 19 et par la bague d’entrainement en rotation 16.
En outre, la couple résistant Ca subi par la noix d’entrainement en translation 19 est proportionnel à l’effort de compression T des rondelles élastiques 46 selon la formule :
Ca = A. T (1 )
où A est une constante dépendante des caractéristiques géométriques de la noix et de son rendement.
L’effort de compression T des rondelles élastiques est défini selon la formule :
T = R.X+K (2)
avec R la raideur des rondelles élastiques, X la distance d’écrasement des rondelles élastiques et K le tarage des rondelles élastiques (ou effort de précompression). Le désaccouplement en rotation du pignon intermédiaire de rotation 14 et du pignon intermédiaire de translation 17, intervient lorsque la différence entre les couples résistants Ca et Cr respectivement subis par la noix d’entrainement en translation 19 et par la bague d’entrainement en rotation 16 induit un couple de glissement suffisant au niveau des goupilles 22, ainsi :
Ca - Cr = K’ (3).
Avec K’ égal à la différence entre les couples transmis par la noix d’entrainement en rotation 19 et par la bague d’entrainement en rotation 16 à partir de laquelle le glissement des goupilles 22 a lieu.
Considérant le couple résistant Cr transmis par la bague d’entrainement en rotation 16 négligeable lorsque l’usinage de la fraisure se termine, on déduit que :
Ca = K’ (4)
Considérant les formules (1) et (2), on déduit que :
Ca = A.(R.X + K) (5)
Considérant les formule (4) et (5), on déduit que :
A.(R.X + K) = K’ (4)
Le désaccouplement en rotation du pignon intermédiaire de translation 17 et du pignon intermédiaire de rotation 14, i.e. le déclenchement de la rétractation automatique de la broche 10, ne doit pas intervenir avant que la noix d’entrainement en translation ne se soit déplacée d’une valeur W égale ou supérieure à la somme de l’amplitude des ondulations et de l’avance par tour de la broche. On en déduit que :
A.(R.W + K) < K’
On en déduit que la valeur maximale Rmax de la raideur des rondelles élastiques 46 doit être telle que :
Rmax < (K’/A - K)/W
La raideur des rondelles élastiques doit donc être inférieure à Rmax pour ne pas déclencher la rétractation automatique de la broche avant que le fraisurage soit terminé.
Lorsque, après débrayage de l’avance vibratoire puis réalisation d’au moins un tour de broche supplémentaire pour former une fraisure sans ondulation, la broche continu d’être entraînée en rotation tout en étant bloquée en translation par la butée 47, la noix d’entrainement en translation 19 continue de s’éloigner de la cage 280 jusqu’à ce que l’extrémité du contour périphérique 452 de la cage 45 vienne en butée contre l’épaulement 1 1 1. A cet instant, le couple résistant subi par le pignon de translation 19 est tel que les goupilles 22 sortent des logements 22’ si bien que le pignon primaire de translation 17 s’éloigne du pignon de rotation 14 et n’est plus lié en rotation avec ce dernier. La rétractation automatique de la broche dans le sens inverse du logement est alors actionnée automatiquement.
6.3. Variantes
La perceuse qui vient d’être décrit est une perceuse à avance automatique vibratoire débrayable et à rétractation automatique.
Dans une variante, il pourrait s’agir d’une perceuse à paramètres de coupe contrôlés telle que décrite dans les titres FR3000693 ou FR3058342.
La différence principale entre une perceuse à avance automatique et une perceuse à paramètres de coupe contrôlés réside dans le fait qu’une perceuse à paramètres de coupe contrôlé comprend deux moteurs, l’un pour entraîner en rotation la broche et l’autre pour l’entrainer en avance.
Le pilotage de ces moteurs peut être contrôlé de façon indépendante.
Les couples transmis par les pignons de rotation ou d’avance peuvent être connus grâce à la mesure des courants consommés par les moteurs correspondants.
La course d’avance peut être connue grâce au capteur d’angle intégré dans le moteur d’avance.
Le dimensionnement et l’intégration des rondelles élastiques et du vibrant restent identiques. La rétraction du foret est obtenue par inversion du sens de rotation du moteur d’avance lorsque l’un des paramètres suivants pris isolément ou en combinaison est validé :
différence entre les couples transmis par les pignons d’avance et de rotation supérieure à un seuil prédéterminé
course de perçage égale à un seuil prédéterminé
couple d’avance supérieur à un seuil prédéterminé
couple de rotation inférieur à un seuil prédéterminé.
6.4 Avantages La technique selon l’invention présente donc de nombreux avantages au rang desquels figurent notamment les suivants.
Le fait d’arrêter le vibrant après blocage en translation de la broche dans le sens du perçage au moyen de la butée permet maintenir l’avance vibratoire le plus longtemps possible et ainsi de garantir une bonne évacuation du copeau y compris au cours de la formation de la fraisure.
Les ondulations laissées à la surface de la fraisure sont ensuite supprimées en terminant la fraisure sans aucune avance.
En outre, les moyens de débrayage de l’avance vibratoire présente une architecture extrêmement simple dans la mesure ce débrayage automatique est obtenu, lorsque la butée stoppe la progression en translation de la broche, par l’écartement de la noix d’entrainement en translation des moyens de génération d’une avance vibratoire obtenu par la simple rotation de la broche.
La technique selon l’invention permet ainsi d’optimiser l’évacuation du coupeau tout en garantissant la réalisation d’une fraisure de belle qualité, et ce de manière structurellement très simple
Les rondelles élastiques sont montées avec rondelles un effort de pré-compression supérieur à l’effort de poussée maximale sur le foret en action de coupe. Ainsi, si au cours d’une action de coupe l’effort de poussée devient supérieur à l’effort de poussée maximale pris en considération pour déterminer la pré-compression des rondelles, alors les rondelles élastiques se compriment. Les rondelles élastiques jouent ainsi le rôle d’un amortisseur qui permet de protéger des éléments faibles de la chaînes de transmission, notamment l’outil de coupe. Ceci n’est pas permis par l’architecture selon l’art antérieur dans laquelle la position du vibrant est inversée par rapport à celle d’une architecture selon l’invention.

Claims

REVEN DI CATIONS
1 . Dispositif de perçage comprenant un carter et une broche apte à porter un outil coupant, ladite broche étant montée mobile en rotation et en translation selon un même axe à l’intérieur dudit carter, ledit dispositif comprenant des moyens moteurs reliés à ladite broche au moyen d’une transmission apte à générer un mouvement combiné de rotation et de translation de ladite broche selon ledit axe, ledit dispositif comprenant une butée portée par ladite broche délimitant une course maximale prédéterminée de translation de ladite broche dans le sens d’un perçage, ladite course maximale étant atteinte lorsque ladite butée se trouve dans une position de fin de perçage, ledit dispositif comprenant des moyens de génération d’une avance axiale vibratoire induisant une oscillation périodique de ladite translation de ladite broche selon deux directions opposées de sorte à générer un mouvement d’avance vibratoire de ladite broche le long dudit axe, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend des moyens de débrayage automatique desdits moyens de génération d’une avance axiale vibratoire, après que ladite butée se trouve dans ladite position de fin de perçage, ledit débrayage automatique permettant une rotation de ladite broche selon ledit axe sur au moins un angle prédéterminé sans aucune avance.
2. Dispositif de perçage selon la revendication 1 dans lequel ledit angle prédéterminée de rotation de ladite broche sans aucune avance est égal à au moins un tour de broche.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dans lequel ladite transmission comprend une noix d’entrainement en translation liée à ladite broche au moyen d’une liaison hélicoïdale selon ledit axe, lesdits moyens de génération d’une avance axiale vibratoire comprenant une surface d’avance vibratoire présentant des ondulations ayant une amplitude selon ledit axe, des moyens de rappel élastique tendant à pousser ladite noix d’entrainement en translation vers lesdits moyens de génération d’une avance vibratoire afin de faire suivre à ladite noix d’entrainement une trajectoire en translation induite par ladite surface d’avance vibratoire.
4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel ladite noix d’entrainement en translation est montée mobile en translation à l’intérieur dudit carter contre l’effet desdits moyens de rappel élastique, lesdits moyens de rappel s’opposant à l’effort de poussée axiale induit par ledit outil coupant sur ladite broche au cours d’une opération de perçage.
5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel la course de déplacement en translation de ladite noix d’entrainement en translation à l’intérieur dudit carter est au moins égale à la somme de ladite amplitude de ladite surface d’avance vibratoire le long dudit axe et de l’avance correspondant à la rotation de ladite broche sans aucune avance sur ledit angle prédéterminée.
6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5 dans lequel une poursuite de la rotation de ladite broche après que ladite butée se trouve dans ladite position de fin de perçage s’accompagne d’un déplacement en translation de ladite noix d’entrainement dans le sens inverse du sens de perçage, contre l’effet desdits moyens de rappel élastique, tendant à éloigner ladite noix d’entrainement en translation desdits moyens de génération d’une avance vibratoire.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 3 à 6 comprenant un élément fixe en translation par rapport audit carter le long dudit axe contre lequel ladite butée portée par ladite broche est destinée à venir en appui lorsqu’elle est déplacée en translation selon ledit axe dans le sens d’un perçage.
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 3 à 7 dans lequel lesdits moyens de rappel sont montés avec un effort de pré-compression supérieur à la valeur maximale d’un effort de poussée axiale imprimé à ladite broche au cours d’un perçage.
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel ladite transmission comprend une bague d’entrainement en rotation à laquelle ladite broche est liée en rotation mais libre en translation selon ledit axe.
10. Dispositif selon les revendications 3 et 9 comprenant des moyens de rétractation automatique de ladite broche dans le sens inverse d’un perçage en fin de perçage.
1 1 . Dispositif selon la revendication 10 dans lequel lesdits moyens de rétractation automatique sont configurés et la raideur maximale desdits moyens de rappel est choisie de manière telle que lesdits moyens de rappel soient compressés, avant déclenchement desdits moyens de rétractation automatique, d’une course au moins égale à la somme de ladite amplitude de ladite surface d’avance vibratoire le long dudit axe et de l’avance correspondant à la rotation de ladite broche sans aucune avance sur ledit angle prédéterminée.
12. Dispositif de perçage selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 appartenant au groupe comprenant :
- les perceuses de type à avance automatique ;
- les perceuses de type à paramètres de coupe contrôlés.
13. Procédé de réalisation d’un perçage au moyen d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel ledit perçage comprend la réalisation d’une fraisure, ladite fraisure étant finalisée sans aucune avance après le débrayage automatique desdits moyens de génération d’une avance axiale vibratoire.
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